【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，南方科技大學(xué)理學(xué)院副院長(zhǎng)、化學(xué)系教授許宗祥團(tuán)隊(duì)在新能源領(lǐng)域取得一系列研究進(jìn)展，與合作者在化學(xué)和材料、能源領(lǐng)域高水平期刊Nature Communications、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Advanced Functional Materials發(fā)表3篇學(xué)術(shù)論文。
 

　　雙碳目標(biāo)下，新能源技術(shù)發(fā)展迅速，鈣鈦礦光伏、超級(jí)電容器和電催化產(chǎn)氨成為了研究熱點(diǎn)。鈣鈦礦光伏技術(shù)以其高效率、低成本和優(yōu)異的光吸收特性，在光伏領(lǐng)域取得了顯著成果。超級(jí)電容器作為一種新型能量存儲(chǔ)設(shè)備，具有充放電速度快、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。電催化產(chǎn)氨技術(shù)則是一種綠色、可持續(xù)的氨合成方法，有望替代傳統(tǒng)的哈柏-博世法，為化肥產(chǎn)業(yè)提供清潔能源解決方案。這三種新能源技術(shù)在提高能源利用效率、降低環(huán)境污染和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展方面具有重要意義。
 

　　許宗祥課題組在近期研究工作中已設(shè)計(jì)、開發(fā)多個(gè)新型自組裝(SAM)空穴傳輸材料并有效提升鈣鈦礦光伏器件效率和穩(wěn)定性。進(jìn)一步尋找新的 SAMs 設(shè)計(jì)方法是鈣鈦礦光伏領(lǐng)域的重要課題。近日，該課題組及合作團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種SAM空穴傳輸材料Bz-PhpPACz，該材料分子結(jié)構(gòu)包含 π-擴(kuò)展咔唑、亞苯基和磷酸基團(tuán)，分別作為端基、連接基和錨定基團(tuán)。這種π-擴(kuò)展的共軛體系加強(qiáng)了SAM分子間的π-π相互作用，從而促進(jìn)了Bz-PhpPACz分子的自組裝過程，形成了具有親水表面的有序雙層結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)有效地鈍化了鈣鈦礦器件底部的界面缺陷，并顯著提高了界面的電荷提取與傳輸效率。在小面積(0.0715cm2)的器件中，效率達(dá)到了26.46%(認(rèn)證效率26.39%)，并表現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性。同時(shí)，在1cm2的大面積器件中，效率亦達(dá)到了25.57% (認(rèn)證效率25.21%)，小組件效率達(dá)到22%以上，進(jìn)一步證實(shí)了該材料在鈣鈦礦光伏領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。
 

圖 1. Bz-PhpPACz結(jié)構(gòu)及鈣鈦礦器件性能
 

　　相關(guān)研究成果在Nature Communications上發(fā)表，許宗祥課題組原南科大-哈工大聯(lián)培博士生曲歌平、碩士生張樂天，原南科大博士生喬穎為該論文的共同第一作者，共同通訊作者包括香港城市大學(xué)教授任廣禹、南科大副教授陳熹翰和許宗祥。
 

　　電催化硝酸鹽還原反應(yīng)(NO3-RR)向氨的轉(zhuǎn)化，作為一種在常溫常壓下合成氨的先進(jìn)技術(shù)，展現(xiàn)出了巨大的潛力。盡管如此，目前的研究多集中于堿性廢水中的硝酸鹽還原，卻忽視了廣泛存在的酸性廢水處理需求。許多催化劑在堿性介質(zhì)中NO3-RR的性能表現(xiàn)出色，但在酸性環(huán)境中卻效果不佳(氨產(chǎn)率低至1毫摩爾每小時(shí)每平方厘米以下)。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于催化劑穩(wěn)定性不足、與氫氣析出反應(yīng)(HER)的激烈競(jìng)爭(zhēng)，以及酸性介質(zhì)中硝酸鹽氫化動(dòng)力學(xué)的局限性。許宗祥課題組在前期酞菁納米材料電催化還原二氧化碳的研究工作基礎(chǔ)上，成功制備了一種基于雙金屬銅鐵酞菁納米材料(Cu1Fe3Pc)的催化劑，該催化劑在酸性條件下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，且對(duì)HER具有惰性。在所有pH條件下，該催化劑的氨法拉第效率均超過89%，產(chǎn)率更是高達(dá)2.4毫摩爾每小時(shí)每平方厘米。為了深入探究Cu1Fe3Pc上硝酸鹽氫化的促進(jìn)作用，該工作采用了氘標(biāo)記技術(shù)和原位傅里葉變換紅外光譜分析。此外，密度泛函理論的模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，Cu1Fe3Pc催化劑中靠近FePc的電子有助于促進(jìn)硝酸鹽在酸性和堿性條件下的氫化反應(yīng)，從而生成氨。該研究成果為氨的電解合成提供了一種實(shí)用的材料策略，并且適用于處理寬pH范圍內(nèi)的硝酸鹽廢水，有望推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。
 

圖 2. Cu1Fe3Pc催化劑及其電催化性能
 

　　相關(guān)研究成果在Applied Catalysis B: Environment and Energy上發(fā)表，許宗祥課題組碩士生馮君源為該論文的第一作者，共同通訊作者包括新加坡國(guó)立大學(xué)胡啟錕博士、教授羅建平和許宗祥。
 

　　為了將超級(jí)電容器打造成為市場(chǎng)上可行的商業(yè)產(chǎn)品，關(guān)鍵在于提升電極的質(zhì)量負(fù)載。盡管如此，現(xiàn)有高質(zhì)量負(fù)載的MXene電極研究多聚焦于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，卻往往忽視了電極表面紋理的作用。表面紋理在電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電解質(zhì)相互作用的調(diào)控扮演重要的角色。本研究中，許宗祥課題組提出了一種簡(jiǎn)便的離子插層工藝，該工藝能夠有效降低電荷轉(zhuǎn)移的阻力，并增強(qiáng)電極的循環(huán)穩(wěn)定性。借助3D可視化模型和廣角X射線散射技術(shù)的融合應(yīng)用，對(duì)電極的表面形態(tài)以及MXene片層的分布進(jìn)行了深入而全面的分析。研究發(fā)現(xiàn)，離子插層引發(fā)的預(yù)取向聚集體形成了一種精細(xì)的凹凸不平表面結(jié)構(gòu)，這有助于電解質(zhì)的滲透和離子的交換。這些改進(jìn)使得電極具有卓越的穩(wěn)定性，在經(jīng)過15000次充放電循環(huán)后，電容量保持了99.9%，并且制造出的高質(zhì)量負(fù)載電極展現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性和超過5 F/cm2的面電容。此項(xiàng)研究突顯了表面紋理在薄膜和電極設(shè)計(jì)中的重要性，并為開發(fā)高性能新材料提供了重要的理論指導(dǎo)。
 

圖 3. MXene離子插層及超級(jí)電容器性能
 

　　相關(guān)研究成果在Advanced Functional Materials上發(fā)表，許宗祥課題組碩士生高長(zhǎng)欽為論文第一作者，通訊作者為許宗祥。
 

　　以上研究得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，廣東省科技廳粵港澳光熱電能源材料與器件聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、廣東省科技廳基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目，深圳市科創(chuàng)局高校穩(wěn)定支持計(jì)劃及面上項(xiàng)目基金支持和南方科技大學(xué)公共分析測(cè)試中心的大力支持。